李明治 张守德
上海勘测设计研究院有限公司 上海 200434
摘要：本文采用理正结构工具箱及ABAQUS有限元软件分析了渡头泵站穿堤箱涵的内力。在对两软件的计算结果进行比较分析的基础上，提出了在今后设计工作中运用理正结构工具箱计算结构内力时应注意的事项，供同行参考讨论。
关键词：穿堤箱涵；内力计算；理正结构工具箱；ABAQUS有限元软件
1工程概况
渡头泵闸位于九龙江西溪左岸，布置于前山堤防内侧，通过穿堤箱涵与前山堤防外侧的西溪连通。由泵站与节制闸组成，泵站设计排涝流量12.2m3/s，节制闸排涝流量35m3/s。主要承担漳州市渡头片排涝任务。
图1 穿堤箱涵纵断面图
图2 穿堤箱涵横断面图
箱涵共3孔，两边孔尺寸3.9×3.3m（宽×高），中孔尺寸3.60×3.30m（宽×高），箱涵底板顶高程4.50m，底板厚0.8m，顶板厚0.6m，两侧边墙和中隔墙厚度均为0.6m。箱涵断面尺寸见图1~2。
2模型简化及荷载计算
2.1模型简化
从安全角度出发，本文取覆土厚度最大位置1m宽箱涵段进行内力分析。将箱涵简化为三“口”字并排的框架结构。采用理正结构工具箱中平面刚桁架模块计算。根据泵闸规划水文数据，最高运行水位7.17m未超过箱涵内壁顶标高，运行时均为无压流。箱涵完建未通水工况为最不利工况。箱涵受到的荷载主要有：a箱涵顶上覆土压力；b堤顶行车荷载；c箱涵单侧壁主动土压力及地下水静水压力；d箱涵底地下水浮托力及地基反力；e箱涵自重。
2.2参数选取及荷载计算
回填土重度18 kN/m3，饱和重度18.3 kN/m3，粘聚力13kPa，内摩擦角11°。箱涵砼强度等级C30，根据《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)[1]4.1.7条规定，砼弹模Ec=3e7 kN/ m2，泊松比ν=0.167，根据4.1.8条规定箱涵重度取25kN/m3。地下水位与箱涵顶齐平。
a箱涵顶上覆土压力：根据《给排水工程管道结构设计规范》(GB50332-2002) [2]附录B.0.2条规定，涵顶单位长度垂直土压力强度按公式(1)计算。
(1)
式中：Fsv，k—每延米管道上顶管的竖向土压力标准值(kN/m)；
Cc—填埋式土压力系数，与Hs/Bc、管底地基土及回填土的力学性能有关，一般可取1.20~1.40计算，本次计算取中间值1.30；
γs—回填土的重力密度(kN/m3)；
Hs—管顶至设计地面的覆土高度(m)；
Bc—管道的外缘宽度(m)，当为圆管时，应以管外径D1替代。
b堤顶行车荷载：15 kN/m3
c箱涵单侧壁主动土压力及地下水静水压力：洞身侧向水平土压力呈梯形分布，静水压力呈三角形分布。
d箱涵底地下水浮托力及地基反力：浮托力呈矩形分布，地基反力呈矩形分布。
e箱涵自重根据重度25 kN/m3计算。
3软件设置及计算结果分析
3.1软件设置
理正结构工具箱计算简图见图3，其中梁之间为固结约束。箱涵上、下底板自重为均布荷载，竖直隔墙自重采用集中力加载于隔墙形心点。
同时本文采用ABAQUS有限元软件[4]，建立三维有限元模型，箱涵顺水流方向取单米宽，有限元模型如图4所示。采用实体单元模拟箱涵。
图3 理正结构工具箱计算简图
图4 ABAQUS有限元软件计算网格
3.2结果分析
由于现行ABAQUS有限元软件后处理模块中无法直观显示每个截面内力，本次仅运用其后处理模块对箱涵实体切取单个断面，查询截面内力，双箭头代表力矩，单箭头代表截面轴力与剪力合力，其他截面内里数据请见下文。因数据较多，本次仅选取箱涵底板跨中及支座处断面弯矩数据列于表1进行比较。
从表1可知，支座处弯矩，ABAQUS有限元结果比理正结构工具箱计算结果来的大，跨中处弯矩，ABAQUS有限元结果比理正结构工具箱计算结果来的小。经分析，本文认为有两点原因：1)在箱涵底板支座部位，理正结构工具箱并没有考虑箱涵贴角(见图2)对梁约束加强作用，而ABAQUS软件采用实体建模，将箱涵贴角考虑在内；根据结构力学知识可知，约束越强，内力分配系数越大[5]，支座处因贴角约束加强，弯矩分配越多，跨中弯矩分配减少。2)箱涵可以看作是一块实心材料，在中间开设了三个孔洞。由弹性力学知识可知，孔洞边缘、尖角处容易出现应力集中[6]，ABAQUS有限元采用实体建模，箱涵支座处得出的弯矩偏大也在情理之中。根据弹性力学知识，通常材料开孔和尖角处应力集中会因材料塑形变形而应力重分布[6]，实际情况中，孔洞边缘和尖角处应力并不会奇高。由于两个软件均是在线弹性范围内考虑箱涵内力，因此第二点原因对箱涵底板支座处弯矩差异贡献较小。从误差百分比来看，支座处弯矩最大相差14.4%，已经超越工程设计行业常用的5%误差限。
4结论与讨论
本文借助理正结构工具箱及ABAQUS有限元程序对渡头泵站穿堤箱涵内力进行模拟计算，并对两种工具软件的结果进行了分析：理正结构工具箱未能考虑箱涵内贴角对梁强约束的影响，得出的箱涵支座处弯矩比ABAQUS有限元程序计算结果要小，且偏差超过了5%，这将影响箱涵配筋面积计算，尤其是支座范围内，是偏于危险的。这一点在《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)[1] 10.1.10条规定也有所体现。因此在今后的设计工作中，应特别注意钢筋砼结构角隅区域的内力计算，适当加大该区域配筋面积，确保结构安全。
参考文献：
[1] SL191-2008，水工混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国水利水电出版社
[2] GB50332-2002，给排水工程管道结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社
[3] 曹金风，石亦平，ABAQUS有限元分析常见问题解答[M]. 北京：机械工业出版社
[4] Dassault Systèmes. Abaqus analysis users’ manual, Version 6.14, 2014.
[5] 龙驭球等，结构力学Ⅰ——基本教程[M]. 第二版. 北京：高等教育出版社，2006.12
[6] 徐芝纶，弹性力学简明教程[M]. 北京：高等教育出版社
论文作者:李明治,张守德
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/11/5
标签：弯矩论文; 支座论文; 结构论文; 内力论文; 工具箱论文; 有限元论文; 理正论文; 《防护工程》2018年第15期论文;